Ударная ультразвуковая обработка
В промышленности широко используется способ поверхностного деформирования (наклепа) металла посредством обкатывания роликами, дробеструйной обработки, а также ударной ультразвуковой обработки (УЗО).
Применительно к конструкции элементов паропроводов наиболее перспективной является ультразвуковая обработка [63]. Она характеризуется импульсным приложением нагрузки с высокой частотой и амплитудой, что сопровождается интенсивной трансформацией структуры поверхностного слоя, вызывающей изменение физико-механических и других свойств [112-114]. Одним из методов УЗО стальных деталей является ударная УЗО поверхности бойковым инструментом [ИЗ].
Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) было изучено влияние УЗО на структуру, физико-механические и специальные свойства сталей феррито-перлитного, аустенитного и мартенситного классов [115-117].
В результате лабораторных исследований образцов из стали 12Х1МФ установлено, что упрочненный поверхностный слой этой стали, так же как и на других сталях, по структуре и свойствам отличается от металла сердцевины. За счет наложения на рабочий инструмент ультразвуковых колебаний, направленных перпендикулярно обрабатываемой поверхности, процесс пластической деформации интенсифицировался, что позволило при малых статических усилиях обеспечить высокую степень деформации.
Верхний слой переставлял зону сильно упрочненного металла. Затем величина упрочнения снижалась до исходной. В верхнем слое в результате пластической деформации зерна сильно измельчались и приобретали ориентацию, вытягиваясь в направлении движения инструмента или плоскости поверхности.
Исследования показали, что УЗО стали 12Х1МФ приводит к наклепу и измельчению основных структурных составляющих — феррита и перлита на глубину до 150 мкм. При этом на 2-3% повышаются прочностные характеристики и на 25-30% — твердость поверхностного слоя.
Таким образом, поверхностное упрочнение методом УЗО может быть одним из способов повышения прочности элементов паропроводов из теплостойких сталей.
Термомеханическая обработка
Эффективным средством улучшения служебных свойств металла, в частности, увеличения прочности, является «программное упрочнение» [62], осуществляемое как отпуск при плавно возрастающей или постоянной нагрузке. По температурной и силовой схемам программное упрочнение близко к условиям эксплуатации. Характерным для этого метода обработки является то обстоятельство, что заметное упрочнение достигается за счет малых упруго-пластических деформации (меньше 0,2%) и оно сохраняется при температурах выше и ниже температуры программного нагружения, вследствие приближения системы к термически и механически более устойчивому состоянию и снижению внутренних напряжений.
Следует отметить, что способ программного нагружения не опробован в производственных условиях. Поэтому его можно будет назвать перспективным только после опытно-промышленной проверки.
Химико-термическая обработка
Одним их методов химико-термической обработки можно рассматривать окисление металлической поверхности изделия кислородом воздуха. Этот способ проверялся при разгерметизации теплоизоляции на паропроводе из стали 12Х1МФ (типоразмер 0426 х 17 мм, температура t = 555 °C, давление р — 3,7 МПа). Установлено снижение скорости ползучести в 1,8 раза за время т = 3000 ч [118].
Исследовались сварные соединения из аустенитной стали 08Х16Н9М2 при наличии зазора между теплоизоляцией и сварным соединением (температура t = 565 °C, давление р = 21 МПа). При этом после 27 тыс. ч на 7 защищенных таким способом участках трещин не обнаружено. На одном защищенном участке бывшее в начале мелкое сетчатое растрескивание не получило развития, а на 4 из 12 незащищенных участках обнаружены кольцевые трещины.
Лабораторные исследования образцов из перлитной и аустенитной стали, покрытых составом (1Мо+0,3С) с толщиной слоя ~ 0,2 мм, температурой обжига 1060-1080 °C при рабочей температуре ~ 550 °C, показало уменьшение скорости ползучести в несколько раз, что может соответственно удлинить срок эксплуатации паропровода с таким покрытием. Дальнейшее исследование этих способов следует считать перспективным.
Оригинальным и потенциально применимым в условиях ремонтных работ на ТЭС является способ химико-термической обработки энерговыделяющими пастами [119, 120]. При этом упрочняющие смеси наносятся в виде пасты толщиной 0,1-0,2 мм на поверхность металла. Поверх пасты наносится слой термита, поверх которого, в свою очередь, укладывается слой песка или шамота: горячий термит обеспечивает уровень температуры, необходимый для имплантирования упрочняющих атомов в металл.
В описании этого и предшествующих способов не рассмотрен уровень температурных напряжений, создаваемых нестационарным температурным полем в процессе упрочняющей обработки.
Нанесение защитных покрытий
Реальные возможности способа нанесения защитных покрытий на поверхность металла ограничены, в первую очередь, высокой температурой, при которой осуществляется процесс [121, 122]. Известно, что, в отличие от циклической усталости, при ползучести повреждается не только поверхность, но и вся толща металла. Поэтому можно было бы думать, что поверхностная обработка, изменяющая свойства поверхности, более применима при усталости, чем при ползучести. То, что это не так, видно из [118], где поверхностная обработка металла кислородом воздуха привела к снижению объемной скорости ползучести в 1,8 раза. При электрополировке металлических поликристаллических образцов их пластическая деформация скачкообразно реагирует на изменение силы тока, т. е. изменение условий на поверхности тут же передается в глубинные слои металла [123].
Известен способ электроискрового легирования металлических поверхностей [124, 125]. Он осуществляется переносом металла с анода на катод — упрочняемую поверхность посредством искровых разрядов. Малая производительность способа 3-9 см2/мин) и возможное снижение во многих случаях усталостной прочности из-за образования растягивающих напряжений в поверхностном слое упрочняемой поверхности обусловливают, по- видимому, необходимость дополнительных лабораторных исследований при решении вопроса о применимости этого способа при ремонте паропроводов ТЭС.
Выводы
- Восстановительная термическая обработка является эффективным способом восстановления живучести и продления ресурса теплоэнергетического оборудования, выработавшего парковый ресурс. Результаты широкого промышленного внедрения свидетельствуют, что проведение ВТО по технологии индукционного нагрева с применением подвижного индуктора гарантирует образование микроструктуры, механических и жаропрочных свойств металла трубных элементов из сталей 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, отвечающих требованиям ТУ 14-3-460-75 [16] на трубы заводской поставки.
Дополнительный ресурс элементов оборудования, восстановленных методом ВТО, как правило, бывает не менее паркового при номинальных параметрах эксплуатации. - Технология восстановления живучести паропроводов, прежде всего гибов, содержащих в поверхностном слое микропоры, цепочки микропор, микротрещины и макротрещины, может быть перспективна при наличии эффективных средств контроля микроповреждений и макродефектов, а также при соответствующей квалификации персонала. При этом восстановление живучести может быть осуществлено тремя этапами: обязательная зачистка, необходимая для контроля повреждений; удаление обнаруженных дефектов при утонении локальной толщины стенки не больше, чем минимально допустимая по нормативу; удаление дефектов при сохранении допустимого запаса по живому сечению.
- Для замедления скорости роста дефектов паропроводов ТЭС может оказаться перспективным освоение следующих способов упрочненной обработки:
- ударная ультразвуковая обработка поверхности;
- окисление поверхности металла посредством создания зазора между металлом и теплоизоляцией;
- термообработка при медленном подъеме давления (так называемое программное упрочнение) без превышения рабочей температуры и рабочих напряжений в металле;
- электроискровое легирование поверхности в условиях проведения ремонтных работ на паропроводах ТЭС.
